绪论
第一章  太阳能的开发和利用
    第一节太阳简介
    第二节太阳能的利用途径
    第三节太阳能光伏发电
    第四节晶硅电池发电原理
    第五节光伏系统的基本组成及其工作原理
    第六节染料敏化电池简介
    第七节GaAs太阳能电池
    第八节聚光太阳能发电
    第九节太阳电池的应用举例
第二章  海洋能的开发和利用
    第一节海洋能源的种类与资源
    第二节潮汐发电原理及技术
    第三节波浪能发电原理及技术
    第四节海洋温差能的利用
    第五节海流能的利用
    第六节盐差能的利用
第三章  生物质能的开发和利用
    第一节生物质能的概述
    第二节生物质能源资源
    第三节能源植物的开发
    第四节能源植物资源及其分布
    第五节生物能的应用现状
    第六节垃圾的资源化利用
第四章  地热能的开发和利用
    第一节地热能简介
    第二节世界主要国家地热资源利用现状
    第三节西藏的地热资源
    第四节地热能利用途径和方法
    第五节干热岩
    第六节我国利用地热资源存在的问题
第五章 氢能源的开发和利用
    第一节氢能源综述
    第二节氢的制取和纯化
    第三节氢气的储存
    第四节氢燃料电池及其应用
第六章  风能的开发和利用
    第一节我国风能资源的形成及其分布
    第二节风力发电原理
    第三节风力发机的种类及特征
    第四节风能利用产业发展现状与潜力分析
第七章  核能的利用
    第一节核能概述
    第二节核裂变
    第三节核聚变
    第四节各国核能利用现状
    第五节人类未来的新能源——氦-3
第八章  微藻——可循环的“绿色油田”
    第一节微藻的主要来源和优势
    第二节可利用微藻的种类及其应用前景
    第三节微藻生物柴油开发的技术途径
    第四节微藻利用的国内外进展
    第五节微藻制备生物柴油的经济性及面临的问题

绪论
        能源是人类生存和发展的重要物质条件。传统能源煤炭、石油和天然气支撑了19、20两个世纪200年来人类文明进步和社会发展。然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。世界经济学家和科学家预测，石油储量大约为1180~1510亿吨，大约在2050年左右宣告枯竭。天然气储备估计在131800~152900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米，将在57~65年内枯竭。煤的储量约为5600亿吨。大约可以供应169年。为了应对能源危机给人类带来的上述窘境，目前美国、加拿大、日本、欧盟等都在20世界末开展利用如太阳能、风能、地热能、海洋能（包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能和盐差能）、生物质能等可再生新能源的探索，或者将注意力转向海底可燃冰（水合天然气）等新的化石能源。同时，氢气、甲醇等燃料作为汽油、柴油的替代品，也受到了广泛关注。进入21世纪以来，世界各国都在寻找适合自己国情的可再生能源，可再生能源的开发利用技术的日益成熟、氢能源和原子能的利用技术的日臻完善。让人们在新世纪看到了解决人类解决能源的曙光。了解“取之不尽，用之不竭”可再生能源的“家族”，既有助于我们了解人们生活的这个星球的现状，更有助于对未来的积极把握。
       新能源又称非常规能源，是指传统能源之外、在新技术基础上加以开发利用的可再生能源，一般包括太阳能、海洋能（包括潮汐能、波浪能、温差能、洋流能和盐差能）、生物质能、地热能、氢能源、风能和原子能。目前，我国能源消耗过高、能源结构扭曲状况突出，这是实现节能减排面临的巨大难题。加快新能源开发利用是突破瓶颈的关键一环。
太阳向宇宙空间辐射能量极大，而地球所接受的只是其中极其微小的一部分。因地理位置以及季节和气候条件的不同，不同地点和在不同时间里所接受到的太阳能有所差异，地面所接受到的太阳能平均值大致是：北欧地区约为每天每一平方米2千瓦/小时，大部分沙漠地带和大部分热带地区以及阳光充足的干旱地区约为每平方米6千瓦/小时。目前人类所利用的太阳能尚不及能源总消耗量的1％。
       海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能和海水温差能等，这些都是可再生能源。
       海水的潮汐运动是月球和太阳的引力所造成的，经计算可知，在日月的共同作用下，潮汐的最大涨落为08米左右。由于近岸地带地形等因素的影响，某些海岸的实际潮汐涨落还会大大超过一般数值，例如，我国杭州湾的最大潮差为8~9米。潮汐的涨落蕴藏着很可观的能量，据测算全世界可利用的潮汐能约109千瓦，大部分集中在比较浅窄的海面上。潮汐能发电是从上世纪50年代才开始的，现已建成的最大的潮汐发电站是法国朗斯河口发电站，它的总装机容量为24万千瓦，年发电量5亿度。我国从50年代末开始兴建了一批潮汐发电站，目前规模最大的是1974年建成的广东省顺德县甘竹滩发电站，装机容量为500千瓦。浙江和福建沿海是我国建设大型潮汐发电站的比较理想的地区，专家们已经做了大量调研和论证工作，一旦条件成熟便可大规模开发。
       大海里有永不停息的波浪，据估算每一平方公里海面上波浪能的功率约为10×105至20×105千瓦。70年代末我国已开始在南海上使用以波浪能作能源的浮标航标灯。1974年日本建成的波浪能发电装置的功率达到100千瓦。许多国家目前都在积极地进行开发波浪能的研究工作。
       海流亦称洋流，它好比是海洋中的河流，有一定宽度、长度、深度和流速，一般宽度为几十到几百海里之间，长度可达数千海里，深度约几百米，流速通常为1~2海里／小时，最快的可达4~5海里／小时。太平洋上有一条名为“黑潮”的暖流，宽度在100海里左右，平均深度为400米，平均日流速30~80海里，它的流量为陆地上所有河流之总和的20倍。现在一些国家的海流发电的试验装置已在运行之中。
       水是地球上热容量最大的物质，到达地球的太阳辐射能大部分都为海水所吸收，它使海水的表层维持着较高的温度，而深层海水的温度基本上是恒定的，这就造成海洋表层与深层之间的温差。依热力学第二定律，存在着一个高温热源和一个低温热源就可以构成热机对外做功，海水温差能的利用就是根据这个原理。上世纪20年代就已有人做过海水温差能发电的试验。1956年在西非海岸建成了一座大型试验性海水温差能发电站，它利用20℃的温差发出了7500千瓦的电能。
       据测算，在地球的大部分地区，从地表向下每深入100米温度就约升高3℃，地面下35公里处的温度约为1100℃~1300℃，地核的温度则更高达2000℃以上。估计每年从地球内部传到地球表面的热量，约相当于燃烧370亿吨煤所释放的热量。如果只计算地下热水和地下蒸汽的总热量，就是地球上全部煤炭所储藏的热量的1700万倍。现在地热能主要用来发电，不过非电应用的途径也十分广阔。世界第一座利用地热发电的试验电站于1904年在意大利运行。地热资源受到普遍重视是本世纪60年代以后的事。目前世界上许多国家都在积极地研究地热资源的开发和利用。地热能主要用来发电，地热发电的装机总容量已达数百万千瓦。我国地热资源也比较丰富，高温地热资源主要分布在西藏、云南西部和台湾等地。
       核能与传统能源相比，其优越性极为明显。1公斤铀235裂变所产生的能量大约相当于2500吨标准煤燃烧所释放的热量。现代一座装机容量为100万千瓦的火力发电站每年约需200~300万吨原煤，大约是每天8列火车的运量。同样规模的核电站每年仅需含铀235百分之三的浓缩铀28吨或天然铀燃料150吨。所以，即使不计算把节省下来的煤用作化工原料所带来的经济效益，只是从燃料的运输、储存上来考虑就便利得多和节省得多。据测算，地壳里有经济开采价值的铀矿不超过400万吨，所能释放的能量与石油资源的能量大致相当。如按目前速度消耗，充其量也只能用几十年。不过，在铀235裂变时除产生热能之外还产生多余的中子，这些中子的一部分可与铀238发生核反应，经过一系列变化之后能够得到怀239，而怀239也可以作为核燃料。运用这些方法就能大大扩展宝贵的铀235资源。
       目前，核反应堆还只是利用核的裂变反应，如果可控热核反应发电的设想得以实现，其效益必将极其可观。核能利用的一大问题是安全问题。核电站正常运行时不可避免地会有少量放射性物质随废气、废水排放到周围环境，必须加以严格的控制。现在有不少人担心核电站的放射物会造成危害，其实在人类生活的环境中自古以来就存在着放射性。数据表明，即使人们居住在核电站附近，它所增加的放射性照射剂量也是微不足道的。事实证明，只要认真对待，措施周密，核电站的危害远小于火电站。据专家估计，相对于同等发电量的电站来说，燃煤电站所引起的癌症致死人数比核电站高出50~1000倍，遗传效应也要高出100倍。
       我国新能源资源丰富，具有大规模发展的资源保障。从可利用资源的角度看，风能、太阳能、生物质能和海洋能等都具有发展到每年数亿吨标准煤的水平。据中国科学院的有关专家介绍，我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为147×108000万千瓦时，相当于17000亿吨标准煤，或上万个三峡电站。年日照时数大于2000小时的地区面积较大，约占全国总面积的2/3以上，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，具有利用太阳能的良好条件；风能资源十分丰富，可开发利用的风能储量约为10亿千瓦。其中陆上风能储量约为253亿千瓦（按陆地上离地高度10米高度计算），海上风能储量约为75亿千瓦；我国大陆沿岸和海岛附近蕴藏着较为丰富的海洋能资源，总蕴藏量约为8亿多千瓦，目前尚未得到充分开发。2008年，中国海洋能开发步伐进一步加快。山东长岛海上风电场、江苏如东海上示范风电场一期工程开工建设，上海东海大桥海上风电场建设进展顺利，浙江三门2万千瓦潮汐电站工程、福建八尺门潮汐能发电项目正式启动。温岭江厦潮汐试验电站是中国最大的潮汐电站，总装机容量3900千瓦，规模位居世界第三。截至2008年年底，江厦潮汐试验电站累计发电量逾14920万千瓦时；我国地热资源丰富，分布广泛，其中盆地型地热资源潜力在2000亿吨标准煤当量以上。全国已发现地热点3200多处，打成的地热井2000多眼，其中具有高温地热发电潜力有255处，预计可获发电装机5800MW。
就目前情况看，目前我国新能源开发利用技术与国外的差距不大，在有些领域处于国际领先水平。随着新能源开发利用技术不断进步和发展，常规能源开发成本上升，特别是考虑碳减排成本之后，新能源竞争力将持续增强，在我国整体能源结构中的作用会逐步提高。
       资源丰富的新能源，为人类解决能源危机和应对环境恶化提供了丰富的传统能源的替代品。新能源的开发利用必将成为人们打迎接益枯竭的化石能源、环境恶化挑战的有力武器。有专家预言，21世纪煤炭、石油、天然气等化石能源将会加速减少，新能源将会逐步替代传统能源。本书将以笔者个人对新能源技术的理解，简单介绍目前人们开发和利用新能源的途径和技术，让人们了解人类为了解决能源问题的基本方法和途径。人类在21世纪面对的最大困难是什么？答案是不可再生的化石能源的日渐减少和环境污染的日益严重。近年来，世界各国都在关注全球变暖问题及寻找和开发可再生的绿色能源，人们越来越注重发展低碳经济。据美国地质局估计，全世界最终可采石油储量为3万亿桶。由此推算，世界石油产量的顶峰将在2030年出现。过后由于剩余储量开采难度增大，石油产量会快速下降。世界煤炭总可采储量大约为8475亿吨。长期来看，尽管世界煤炭可采储量相对稳定，但还是出现了下降的趋势。按当前的消费水平，最多也只能维持200年左右的时间。世界天然气储量大约为177万亿立方米。如果年开采量维持在23万亿立方米，则天然气将在80年内枯竭。就我国而言，化石类能源探明储量约7500亿吨标准煤，总量较大，但人均能源拥有量却远远低于世界平均水平。煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量，分别只有世界平均水平的586%、769%和705%。近几年，我国的能源生产一直保持着快速增长势头。2006年，我国能源生产总量为206亿吨标准煤。其中，煤炭比重高达764%，原油比重下降为126%，天然气占33%。我国煤炭储量相对丰富，但从中长期来看，仍面临诸如赋存条件、勘探水平、运输条件、安全因素等多方面因素的限制，能被有效开发利用的煤炭资源量明显不足。
       发展可再生能源是发展低碳经济的重中之重。根据预测，全球化石能源再过约230年将彻底枯竭，因而寻找清洁的可再生能源来填补化石能源的空白是主要出路。纵观水能、风能、生物质能等可再生能源，没有一种储量可以满足人类当前的能源消耗量。万物生长靠太阳，我们知道水能、风能、生物质能以及潮汐能等能源都是来源于太阳，因而直接利用储量大、开采时限接近无限的太阳能，是一种最可行的解决未来全球能源需求的方式。
       那么太阳能是否真能满足全球能源需求呢？我们来看一组数据：2008年全球能源总消耗量112949百万吨石油当量（2009BP世界能源统计），约合135,539TWh。全球总太阳能120,000TW，储存2小时太阳能足以满足全球一年的能源消耗。
太阳时时刻刻都在向地球发送着能量，并且这种能量是取之不尽、用之不竭的。如果仅仅将太阳发射到地球的总辐射功率换算成电功率，可以高达177×1012千瓦，比目前全世界平均消费电力还要大数亿倍。太阳能不但数量巨大，而且源于太阳的各种绿色能源，如：风能、潮汐能、生物质能、水力能都属于可再生能源，只要有太阳的存在，能源就像阳光一样源源不断。太阳能的利用有很多种，可以利用光的热效应，将太阳辐射转化成热能；也可以利用光的伏特效应，将太阳辐射直接转换成电能等。在太阳能的有效利用中，太阳能的光电利用成为近些年发展最快、最具活力的研究领域。太阳能电池的研究发展也日益成熟起来。因此，太阳能发电将会成为未来世界能量的主要来源。太阳能的开发和利用新能源技术知识读本第一节太阳简介
       一、太阳简介

       图1-1太阳太阳（汉语拼音：tài yáng，英文：Sun，法文：Soleil）是距离地球最近的恒星，是太阳系的中心天体，太阳系质量的9986%都集中在太阳。其中心区不停地进行热核反应（主要为核聚变）所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。
太阳是宇宙中很多颗恒星中的一颗，在银河系的中间。太阳是太阳系的中心天体。太阳由里向外分别为太阳核反应区、太阳对流层、太阳大气层。其中心区不停地进行热核反应，所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射。其中二十二亿分之一的能量辐射到达地球，成为地球上能源（光和热）的主要来源。太阳和其他恒星一样也有自己的生命周期，它们从诞生、成长到衰老，最终走向死亡。它们大小不同，色彩各异，演化的历程也不尽相同。恒星与生命的联系不仅表现在它提供了光和热。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过程中创造出来的。
       太阳的基本物理参数
       直径：1,392,000公里（地球直径的109倍）
       体积：1412×1027立方米（地球的130万倍）
       质量：1989×1030千克（地球的33万倍）
       温度：核心区位1560万开，日冕5百万开，表面6000K。
       密度：通用的平均密度约为14克/厘米，比水大一些。但是太阳里外的密度是不一样的。它的外壳大部分为气体，密度很小。但是越往里面，物质越稠密，密度越大。核心的密度可能为160克/厘米，是钢的密度的近20倍。
自转周期：赤道约25天，极区约35天
       太阳年龄：约457×109年
       太阳活动周期：太阳黑子数及其他现象的准周期变化，约为11年的周期
       总辐射功率：383×1026焦耳/秒
       太阳常数：（地球在日地平均距离处与太阳光垂直的大气上界单位面积上在单位时间内所接收太阳辐射的所有波长总能量）f＝1368瓦特/米2
       光谱型：G2V
       太阳表面脱离速度：618公里/秒
       地球附近太阳风的速度：450公里/秒
       日地距离
       日地平均距离（天文单位）：149597870×1011米（1亿5千万公里）
       日地最远距离：15210×1011米
       日地最近距离：14710×1011米
       太阳运行的轨道
       太阳位于银道面之北的猎户座旋臂上，距离银河系中心约26000光年，在银道面以北约26光年，它一方面绕着银心以每秒250公里的速度旋转（周期大概是25亿年），另一方面又相对于周围恒星以每秒197公里的速度朝着织女星附近方向运动。太阳也在自转，其周期在日面赤道带约25天；两极区约为35天。
       太阳的结构
       太阳只是一颗非常普通的恒星，在广袤浩瀚的繁星世界里，太阳的亮度、大小和物质密度都处于中等水平。只是因为它离地球较近，所以看上去是天空中最大最亮的天体。其他恒星离我们都非常遥远，即使是最近的恒星，也比太阳远27万倍，看上去只是一个闪烁的光点。
       组成太阳的物质大多是些普通的气体，其中氢约占713％，氦约占25％,其他元素占2％。太阳从中心向外可分为核反应区、辐射区和对流区、太阳大气。太阳的大气层，像地球的大气层一样，可按不同的高度和不同的性质分成各个圈层，即从内向外分为光球、色球和日冕三层，光球层的成分如下表1-1所示。
       太阳是由气体组成的，不像地球具有固体表面。但是，它仍然具有清晰的结构。太阳的半径是以光球层的边缘计算的，其內部的高密度气体足以令可见光无法通过，而肉眼看見的是太阳的光球层，在07太阳半徑范围内的气体占整个太阳总质量的大多数。我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000℃。它是不透明的，因此，太阳的内部并不能直接观测，因高密度的气体阻隔了电磁辐射，但就像地震学能利用地震产生的震波能研究地球的內部，日震学这门科学，也能利用橫断过太阳內部的波的压力，来测量和描绘出太阳內部的构造。配合计算机模拟的辅助，人们便可一览太阳深处。图1-2是天文学家根据上述方法绘制的太阳内部结构图。太阳从中心向外可分为核心（核聚变区）、辐射层、对流层和大气层。由于太阳內层气体的透明度极差，人类只能够直接观测到太阳的大气层，太阳大气层从内向外分为光球、色球和日冕3层。
       图1-2太阳结构太阳的内部主要可以分为三层：核心区、辐射层和对流层。
       太阳的核心区域半径是太阳半径的1/4，约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心的温度极高，达到1500万℃，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。太阳中心区的物质密度非常高。每立方厘米可达160克。太阳在自身强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度、高温和高压状态，是太阳巨大能量的发祥地。太阳中心区产生的能量的传递主要靠辐射形式。太阳中心区之外就是辐射层，辐射层的范围是从热核中心区顶部的025个太阳半径向外到071个太阳半径，这里的温度、密度和压力都是从内向外递减。从体积来说，辐射层占整个太阳体积的绝大部分。太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。即从太阳071个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。